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1、汽车构造电子教案 第十二章 新型车用发动机,第十二章 新型车用发动机,简介 三角活塞旋转式发动机 燃气涡轮发动机 斯特灵发动机 电动汽车 压缩天然气汽车及液化石油气汽车,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第3页,简介,新型车用发动机是指当前在车用动力中占统治地位的，燃用传统燃料汽油或柴油的往复活塞式内燃机以外的动力机械。其中，或从机构学的角度出发，变革发动机的功率传动机构；或以解决能源短缺、环境污染和生态失衡等人类最为关注的三大社会问题为目的的而创制的新型动力装置。,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第4页,第一节 三角活塞旋转式发动机,一、概述 二、转子发动机的基本结构
2、三、汽油转子发动机工作原理 四、转子发动机的密封系统 五、转子发动机的进、排气 六、转子发动机的冷却 七、转子发动机的润滑 八、转子发动机的点火系,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第5页,一、概述,三角活塞旋转式发动机简称转子发动机。是德国工程师F汪克尔发明的，所以又称为汪克尔发动机。1954年，F汪克尔在总结前人取得的成果基础上，经过长期的研究，解决了旋转式发动机气体密封的重大技术难题，并于1958年成功地制成了第一台转子发动机。1964年，德国NSN公司首先把转子发动机装在轿车上作为正式产品。从1967年日本东洋工业公司开始成批生产转子发动机轿车到1986年，总共生产了150万
3、辆。往复活塞式发动机已有百余年的历史，其各种性能都已达到了相当高的水平。但是，往复活塞式发动机得基本结构方案却带有根本缺陷，即存在许多往复质量，如活塞组件及气门机构等。当提高发动机转速时，这些往复运动质量所产生的往复惯性力和惯性力矩急剧增大，使轴承载荷显著增加，振动加剧，噪声增强，并可能破坏气门机构的正常工作，致使发动机转速和功率的提高受到极大的限制。,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第6页,（续）,与往复活塞式发动机相比，转子发动机的优点是：升功率大，比质量小，振动轻微，结构简单，零件数量少，拆装方便，维修简单，制造也不困难。进入80年代后，转子发动机有了新的发展，其中包括采用涡
4、轮增压，电控燃油喷射，排气净化，分层燃烧和微机控制技术等技术，使转子发动机的经济性、动力性和排放性等技术指标均达到较高的水平 。,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第7页,二、转子发动机的基本结构,转子发动机主要由转子、前后端盖、气缸体、密封件和主轴等组成。此外，汽油转子发动机还有燃油供给系、点火系、润滑和冷却系等基本结构。 气缸体2的内壁表面是由双弧长短幅圆外旋轮线构成的特殊型面。气缸体的两个端面分别被前端盖1、中间隔板3和后端盖5封闭。气缸、前后端盖几中间隔板是固定件。气缸内装有弧边三角形转子12。在转子的一个端面上固定着与转子同心的内齿圈6，而与内齿圈相啮合的外齿圈7则固定在端
5、盖上。发动机的主轴13是偏心轴，其主轴颈支撑在与外齿轮同心的主轴承8上，而偏心轴颈则套在于内齿圈同心的转子轴承11内。当发动机运转时，转子上的内齿圈6围绕固定的外齿轮7啮合运转，作行星运动，即转子不仅绕固定的外齿轮中心（主轴承中心）公转，同时又绕其自身的回转中心（偏心轴颈中心）自转。由于内、外齿轮的齿数比为3：2，因此，转子自转速度与公转速度之比为1：3，即主轴13的转速为转子12的自转速度的3倍。,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第8页,（续）,三角转子的三个角顶与气缸型面紧密接触，三个弧面与气缸型面之间形成三个工作腔。转子工作是工作腔的容积变化，其变化规律恰好符合四冲程内燃机对
6、气缸容积变化的要求。在气缸体的一侧装置火花塞14，另一侧设置进气孔15和排气孔16。当发动机工作时，气体的爆发压力通过转子传递给偏心轴颈并推动主轴旋转。,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第9页,三、汽油转子发动机工作原理,1.四行程工作过程 转子发动机的工作循环与往复活塞式发动机相同，即由进气、压缩、作功及排气等四个过程组成。图12-2是转子发动机四行程工作过程原理图。图中以三角转子的一个弧面AB与气缸型面之间形成的工作腔（AB的工作腔）为例，说明转子发动机的四冲程工作原理。 2.气缸型线的创成及三角转子外廓 转子发动机气缸内壁的理论型线是双弧长短幅圆外旋轮线，是由一个嵌在转子上的
7、内齿圈1(动圆)围绕与其相啮合的固定外齿轮2(定圆)作纯滚动而创成的（图12-3）。三角转子的外廓是气缸型线的内包罗线，以保证转子在气缸内转动时不与气缸发生干涉。,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第10页,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第11页,工作过程,当三角转子的角顶B转到进气孔左边的边缘时，AB工作腔开始进气。在位置1进、排气孔连同，即进排气重叠。这时AB工作腔的容积最小，相当于往复活塞式发动机的上止点位置 。随着转子继续转动，AB工作腔的容积逐渐增大，可燃混合气不断被吸入气缸。当转子自转90度（主轴转270）到达位置4时，AB工作腔的容积达到最大，相当于往复活
8、塞式发动机的下止点位置，进气行程结束。三角转子继续转动，AB的工作腔的容积逐渐小，到位置5时，转子的角顶A越过了进气孔右边缘，这时AB工作腔被完全封闭，开始压缩行程。当转子自转180（主轴转540）到达位置7时，AB工作腔的容积最小，相当于往复活塞式发动机的下止点位置，压缩行程结束。这时，火花塞跳火点燃混合气，开始膨胀作功行程。当转子自转270度到达位置10时，AB工作腔的容积又达到最大，相当于往复活塞式发动机的下止点位置，作功行程结束。三角转子的角顶B转过排气孔左边的边缘时，AB工作腔又开始排气。位置11-12为排气行程。转子自转360度时，AB工作腔又开始回到位置1，排气行程结束。实际上，
9、排气要持续到角顶A转过排气孔之后。至此，AB工作腔完成了一个工作循环。与此同时，BC及CA两个工作腔也分别完成了一个工作循环。 综上所述，转子每自转一周，主轴则转三周，三角转子与气缸型面之间形成的三个工作腔各完成一个四行程工作循环，每一个循环所对应的主轴转角为270度。,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第12页,气缸型线的形成,当内齿圈与外齿圈的齿数(或节圆直径)之比为3:2时，位于内齿圈外的任意点所画出的轨迹便是双弧长短幅圆外旋轮线，如图12-3中的点划线所示。由于这种理论形线是一个点的轨迹，若气缸内壁的形线按照理论形线加工制造，则三角转子角顶上的径向密封片必然是尖片，这样会使密
10、封片迅速磨损而丧失密封能力。为了减小径向密封片的磨损，实际上均采用半径为a的圆头密封片。这时则需以理论形线上的点为圆心，以a为半径，作无数个小圆，并以这些小圆的外包络线或称理论形线的等距曲线作为气缸内壁的实际形线，如图12-3中的实线所示。,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第13页,三角转子外廓,三角转子的三个角顶A、B及C(图12-4)是等边三角形的三个顶点。根据双弧长短幅圆外旋轮线的性质，这三个顶点恒在圆外旋轮线上。因此，若以圆外旋轮线作为气缸型线，则转子的三个角顶必然恒与气缸型线保持接触。 三角转子的外廓是气缸型线的内包罗线，以保证转子在气缸内转动时不与气缸发生干涉。其创成方
11、法是：保持嵌在转子上的内齿圈固定不动，使外齿轮连同气缸型线一起围绕内齿圈滚动。外齿轮每滚到一个位置，气缸型线也随之转移到一个相应的位置。当外齿轮绕内齿圈滚动一周时，便得到一系列形状相同、位置各异的气缸型线。所有这些形线的内切线便是气缸型线的内包罗线。按内包罗线加工转子的三个弧边，需要专用机床上进行。有时为了方便制造，用适当半径的圆弧来代替内包罗线。 在图12-3中，点A到滚动的内齿圈中点O1的距离R称作创成半径；内齿圈中心O1与外齿轮中心O的距离OO1称作偏心距e；密封片圆头半径a称作等距半径；创成半径R与偏心距e的比值称为形状系数k。 创成半径R 、偏心距e、等距半径a和形状系数k等参数，都
12、是长短幅圆外旋轮线型转子发动机的基本参数。气缸型线、转子弧边形状以及其他性能指标都与这些参数有关。,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第14页,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第15页,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第16页,四、转子发动机的密封系统,1.气体密封 2.油密封,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第17页,1.气体密封,转子发动机的气体密封系统由转子角顶的径向密封片1、角片2、密封销5及设置在转子端面上的端面密封条6组成（图12-5）。在每个密封件的底部都装有弹簧。径向密封片用来防止相临工作腔的气体泄露。端面密封条和密封销用以防止工作
13、腔内的气体通过端面相互泄露。上述气体密封件在每个工作腔的周围构成密闭的密封线，可以有效的起到气体密封的作用。,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第18页,（续）,转子发动机气体密封件的工作原理与往复活塞式发动机的气环相似。在发动机工作时，径向密封片在离心力和密封片底部气体压力的共同作用下压向气缸型面。同时，进入密封片槽内的气体还将径向密封片压向密封片槽的一侧，从而实现了工作腔的径向密封（图12-6）。当径向密封片移动到气缸型面的段轴部位时，密封片的惯性力由离心方向转为向心方向，这是径向密封片有脱离气缸型面的倾向。为了克服向心力的作用在径向密封片底部装有弓形片状弹簧，即径向密封片弹簧（
14、图12-5）。弓形片状弹簧还可以保证发动机起动时气缸工作腔的密封性。 在发动机工作时，进入密封条底部的气体将密封条压向端盖的工作表面，而在发动机起动时，借助端面密封条底部的波形弹簧使端面密封条与端盖工作表面贴紧，以实现端面密封。密封销5的底部装有片状弹簧，即密封销弹簧4（图12-5）以保证密封销与端盖工作表面贴紧。 径向密封片的材料应与气缸体的材料配对选择。如合金铸铁气缸体可配用氮化硅径向密封片。氮化硅（ ）是一种新型工程陶瓷材料，高温力学性能好，有自润性，耐磨损，是比较理想的径向密封片材料之一。端面密封条通常用合金铸铁或球墨铸铁制造。,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第19页,2
15、018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第20页,2.油密封,在润滑各轴承及冷却三角转子的同时，不免会有少量润滑油贱入转子端面与端面工作表面之间的间隙中。为了防止润滑油通过端面间隙窜入工作腔，在转子每个端面上的两个同心的油环槽内，安装了两道油环1（图12-7）。在油环槽的底部装有波形弹簧3，用来使油环的刮油刃4压紧在端盖的工作表面上，以便将溅到工作表面上的润滑油刮下来。 油环是槽形端面的合金铸铁圆环，在其槽内装有耐热、耐油的硅橡胶圈2，用来阻止进入油环槽底部的润滑油窜入工作腔。,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第21页,五、转子发动机的进、排气,转子发动机利用进、排气孔实现进排气
16、过程，而进排气孔的开闭由三角转子的轮廓来控制。 转子发动机有三种进气方式： 周面进气（图12-8a）进气孔布置在气缸型面上的； 端面进气（图12-8b）进气孔布置在端盖工作表面上的； 混合进气（图12-8c）兼有周面与端面进气的；,图12-8,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第22页,（1）周面进气 进、排气孔的开闭由转子角顶的径向密封片控制。由于进排气的方向与气缸内气体的流动方向基本一致，因此，进排气阻力小，可以获得良好的充气。采用周面进气的转子发动机高速性能好。但是，周面进气的进排气孔同时开启的重叠角较大，发动机在低速时，排气工作腔内的废气可能窜入进气工作腔内，影响充气，致使发动机的低速性能较差。 （2）端面进气 进气孔的开闭由转子的弧边轮廓来控制。端面进气的进、排气孔同时开启的重叠角小，所以发动机的低速性能有所改善。但是，由于进排阻力大，因此发动机高速性能差。 （3）混合进气 保留了上述两种进气方式的优点，并在一定程度上弥补了它们的不足。,2018/12/7,哈尔滨工业大学（威海）,第23页,六、转子发动机的冷
